JP6676155B2 - 人工天窓及び方法 - Google Patents

Description

この出願は、２０１５年９月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／２１９，４１９号、及び２０１５年１１月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／２５３，９４４号の優先権を主張するものであり、その全体を参照し、ここに組み込むものである。

開示されるシステム及び方法は、人工天窓を提供する。人工天窓は、無限に設定された仮想の太陽とともに人工的に発生させた現実的な見た目の空を提示する。

天窓は、屋根を利用できる場合には、部屋やオフィスを照らす手段としてよく好まれる。しかし、たとえ利用できる場合でも、特に既存の構造物や設備を回避しなければならないときは、屋根を修正するコストが高くなる可能性がある。天窓には、他にも多くの課題がある。例えば、光の量が変わり、調整が容易でないこと、１日のうちのさまざまな時間に望ましくない眩しい光（ｇｌａｒｅ）が生じうること、及び太陽光に含まれる紫外線の照射が人や所有物に有害であることが知られていることが挙げられる。

したがって、人工天窓は、コンパクトであり、典型的な天井の範囲内に設けることができる（通常、天井パネルと床の間の高さは８インチ未満）。広角（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）の空を有する人工天窓は、仕事又は家庭のユーザに対し、自然光による既知の心理的利益を楽しむための実用的手段を提供するとともに、制御された輝度を追加の利点として提供する。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの第１コリメータと、プリズムシートと、少なくとも１つの透過性材料とを備える。少なくとも１つの第１コリメータは、少なくとも１つの光源からの光をコリメート（Ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）する。プリズムシートは、少なくとも１つの第１コリメータに隣接して配置され、少なくとも１つの第１コリメータから受け付けた、コリメートされた光を、反射するとともに屈折させる。少なくとも１つの透過性材料は、プリズムシートに隣接して配置され、光を拡散放射する。

いくつかの実施形態では、方法は、少なくとも１つの光源から発した光をコリメートして第１コリメート光を生成し、第１コリメート光を屈折させて屈折光を生成し、屈折光を拡散させて拡散光を生成し、拡散光を反射する。

開示されるシステム及び方法の特定の実施形態は、添付の図面を参照して一例として記載される。以下、同様の部分は同様の参照番号によって参照される。

いくつかの実施形態における人工天窓の一例の断面図であり、光源からの円錐状の光がコリメートされ、その後プリズムシートに向けられ、続いてすぐに反射とともに一部が透過する状態を示している。反射及び透過した光は、カラーフィルタによってスペクトル的にシフトされ、その後、同じプリズムシートを通じて再び観察者に向かわされる。 いくつかの実施形態における人工天窓のもう一つの例の断面図であり、複数の光学ガイドによってシステムに光を中継する代替手段と、ライトパネルによって拡散光を提供する代替手段とを含んでいる。 いくつかの実施形態においてプリズムシート内のプリズム面の角度が反射角を制御する状態の一例を示す詳細図である。 いくつかの実施形態においてプリズムシート材料に誘電体コーティングを施すことによって鏡面反射を増加させることができる状態の一例を示す詳細図である。 いくつかの実施形態においてコリメート光を複数の光ガイドに導き、光をコリメートレンズアレイ及びライトパネルに実質的に伝達するシステムの一例を示す概略平面図である。 いくつかの実施形態においてライトパネル及び線状光シャーシと連携する光ガイドの一例を示す斜視図である。 いくつかの実施形態においてコリメートレンズの中心軸を左右に移動させることによってコリメートされた線状光を移動させることができる状態を示す概略図である。 いくつかの実施形態において天井に設置された人工天窓の斜視図である。 いくつかの実施形態においてライトパネルに光を中継するＬＥＤアレイを備える人工天窓のもう一つの例を示す断面図である。 いくつかの実施形態において３つの異なる色の光源からの光を放物面反射器によってコリメートする状態の一例を示す概略図であって、３つの異なる色の光源からの光を複数のガイドに入射する前にプリズムによって共通の光路に合流するように組み合わせ、コリメートレンズアレイに実質的に光を伝達している。 いくつかの実施形態において３つの異なる色の光源からの光を放物面反射器によってコリメートする状態のもう一つの例を示す概略図であって、３つの異なる色の光源からの光を複数のガイドに入射する前にプリズムによって共通の光路に合流するように組み合わせ、コリメートレンズアレイに実質的に光を伝達している。 図８Ａ及び図８Ｂに示す２つの別個の光源からの光をシステムに伝達する状態の一例を示す断面図であり、一方の光源が特にコリメートレンズアレイに照明を提供し、他方の光源が特にライトパネルに照明を提供する。 いくつかの実施形態において拡散パネルに隣接するとともに距離をあけた位置に配置されたコーティングされていないプリズムシートを備える人工天窓の一例を示す断面図である。 いくつかの実施形態において拡散パネルに隣接するとともに距離をあけた位置に配置されたコーティングされていないプリズムシートを備える人工天窓のもう一つの例を示す断面図である。 いくつかの実施形態において反射面に隣接するとともに距離を空けた位置に配置されたプリズムシートの一例を示す断面図である。 いくつかの実施形態において反射面に隣接するとともに距離を空けた位置に配置されたプリズムシートのもう一つの例を示す断面図である。 いくつかの実施形態において光源から発される光を折り畳むプリズムの一例を示す断面図である。 いくつかの実施形態において図１２Ａで説明されるプリズム内の迷光を拡散光として逃す状態の一例を示す図である。 いくつかの実施形態において光をコリメートするための放物面を備えるプリズムのもう一つの例を示す図である。 いくつかの実施形態において光路を折り畳むための放物面コリメータに組み合わせる反射面の一例を示す図である。 いくつかの実施形態において鏡面反射筐体に反射する光の一例を示す図である。 いくつかの実施形態における反射筐体内の迷光の拡散の一例を示す図である。 いくつかの実施形態において迷光が隣接する筐体に侵入することを防止する閉塞パネルの一例を示す図である。 いくつかの実施形態において単一の光源を用いた例を示す図である。 いくつかの実施形態におけるコリメートフレネルレンズがないときの天窓の一例である。 いくつかの実施形態におけるコリメートフレネルレンズがないときの天窓の一例である。

この明細書は、添付の図面に関連して読まれることを意図したものであり、添付の図面は、明細書全体の記載の一部であると考えられるべきである。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、本発明のある特徴は、明確さ及び簡潔さのために、誇張した縮尺やいくらか概略的な形式で示されている。本明細書では、「水平」、「垂直」、「上方」、「下方」、「上部」及び「下部」、並びにそれらの派生語（例えば、「水平に」、「下方に」、「上方に」など）のような相対的な用語は、以下の記載や後述する図面に示す方向付けを参照するものとして解釈される。これらの相対的な用語は、説明の便宜のためのものであり、通常、特定の方向付けを必要とするものではない。「内向き」対「外向き」、「長手方向」対「横方向」等を含む用語は、互いを対比したり、伸長軸と対比したり、回転の軸又は中心と対比したりするものとして適宜解釈される。「接続された」及び「相互接続した」のような取り付けや接続などに関連する用語は、他に明示的に記載されていない限り、直接的に又は介在する構造を介して間接的に、構造が互いに固定されたり、取り付けられたりする関係、並びに可動又は不動の両方の接続や関係を参照するものである。「動作可能に接続される」という用語は、関連する構造がその関係の長所によって意図されるように動作することを許容する取り付け、連結、又は接続である。特許請求の範囲において、ミーンズプラスファンクション（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）節が用いられていたり、暗示されていたりする場合、これらは明細書や図面の記載によって説明され、示唆され、又は明らかにされた構造を、構造上均等なものだけでなく、均等な構造を含めて保護することを意図するものである。

開示される実施形態のシステム及び方法によれば、太陽に近似し、高度にコリメートされた光とともに、空に近似する拡散照明を提供する問題を解決できるように、仮想の太陽源および拡散する青空を生成することができる。さらに、開示されるシステムは、典型的な天井の空洞に設置するのに十分にコンパクトであり、自然環境の光を用いずにオフィス空間やその他の部屋に設置することができる。また、開示されるシステム及び方法は、広角に渡って青空が観察されるように、拡散する空の光からコリメートされる太陽光を分離する。

いくつかの実施形態では、開示されるシステム及び方法は、観察者に人工の空を提供する。人工の空は、青又は他の色の初期設定を含むことができ、現実的な見た目を有する。いくつかの実施形態では、人工天窓は、光学的に無限遠に、例えば、物体上の所定の点からの光線が実質的に平面波として目に入射する程度に非常に広い距離に設定された現実的な見た目の太陽を提供する。このような人工天窓は、建築家や照明技術者に対し、例えば居住可能な空間を引き立たせるために明確に定義された光線と影のように、新しくかつ入手しにくい照明効果を作り出すオプションを提供する。さらに、多くのオフィス及び部屋は、外界を見通せないとき、窮屈に感じることがあるが、開示される実施形態における人工天窓は、この問題を軽減し、比較的居心地のよい領域を作ることができる。最後に、十分な太陽光を受け付けることによる心理的効果は、特に冬季の間や高緯度の場所においてよく実証されている。このような十分な日光がない場合、影響を受けやすい人は季節性障害（ＳＡＤ：ｓｅａｓｏｎａｌｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒ）を引き起こしうることが一般に認識されている。広いスペクトル範囲の人工照明を用いて擬似的に太陽光を提供する従来の方法は、高いルクスレベルが必要であることを考慮すると常に実用的ではない。これに対し、開示されるシステム及び方法によれば、焦点に集められて離散したり密集したりする人工の太陽光の光線を晒すことによって、前述の光源に近いルクスは必要でなく、また、部屋全体のルクスレベルを上げる必要はない。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、例えばＬＥＤのような光源の一次元アレイと、例えばフレネルレンズのようなコリメートレンズの一次元アレイとを備え、各レンズは、複数の光源の１つからの光をコリメートする。例えば、複数の面を有する透過性のプリズムシートのような角度がつけられた複数の反射面は、コリメートレンズからの実質的にコリメートされた光線が入射する面に設けられている。１組の閉塞パネルは、隣接する光源からの光を遮ることによって、１つの光源が所定のコリメートレンズを取り囲むのを許容し、拡散光を射出する面が設けられている。いくつかの実施形態では、拡散光は空に近い青色であり、面を持つプリズムを透過する。いくつかの実施形態では、閉塞パネルは、ベークライトのような複合材料から作られるが、当業者であれば、他の不透明な材料が利用可能であることは理解できる。

いくつかの実施形態では、照明のアレイは白色ＬＥＤである。しかし、いくつかの実施形態では、照明のアレイは、光導波路の終点であり、光導波路はそれぞれ８ミリメートル程度の直径に設定することができる。光ガイドを８ミリメートルよりも大きい又は小さい直径とすることは、当業者であれば理解できるであろう。コリメートレンズは、隣接するアレイの一部であり、特定のＬＥＤからの光をコリメートする。このため、例えば太陽光と関連する光のような広い平行な光線は、ここでは「プリズムシート」として称され、複数のプリズム面を備える材料のシートに入射する。プリズムシートは、例えばアクリルのような、実質的に透過性の材料で形成される。プリズムシートは、平行な光線を反射して観察者に向かわせることにより、仮想の太陽を生成する。さらに、プリズムシートは、プリズムを構成するプリズム面の角度に従って、反射光の角度に影響を与えるため、適切なプリズム面の角度を選択することによって、仮想の太陽光の光線の角度を制御することができる。一実施形態では、反射光の強度は、例えば約５０ナノメートルの厚さで酸化チタン（「ＴｉＯ_２」）のような誘電体コーティングを施すことによって向上するが、他の材料や他の厚さであってもよい。

いくつかの実施形態では、アレイの複数の光は、各コリメートレンズの間に配置される約０．５ミリメートルの厚さの材料で作られた「閉塞パネル」を備える。「閉塞パネル」は、それぞれのコリメートレンズが複数の光の１つを受光することを保証する。このプロセスにより、観察者に単一の仮想太陽が把握される。

仮想の空は、実質的に透過性のプリズムシートを介して拡散光を射出することによって生成される。上述の一次元アレイの光は、以下では「線状光」ともいう。上述の一次元アレイの光は、開示されるシステムにおいて拡散光源でもあり、プリズムシートの上方又は下方に位置する独立したライトパネルによって増加してもよい。ライトパネルは、動的に変化する着色された拡散光を発するために使用することができ、これによって変化する空の状態をシミュレーションすることができる。

いくつかの実施形態では、プリズムシートに入射する白色のコリメート光を、拡散する青色光に変換することには、例えばプリズムシートのプリズム面を介した屈折光のように、プリズムシートで反射させずにコリメート光を透過させることと、その光を屈折光として拡散させることとを含み、屈折光は、つや消しコーティングを施すことによって形成された拡散層を介して平面を透過する。当業者であれば、拡散層は、例えばプリズムシートの表面を粗面化することによって形成され、プリズムシートに一体化した特性であってもよいことが理解できるであろう。次に、拡散光はカラーフィルタを透過し、カラーフィルタは、一般的に７０００Ｋ周辺となるスペクトルの青色端に偏光させる。次に、拡散光は、フィルタの後方の反射層に到達し、反射層は、拡散光をカラーフィルタ及びプリズムシートを介して戻すことにより、拡散した青い背景が表れる。

向きを変えられた光を拡散するための他のオプションや配置が存在し、青色以外のフィルタを使用してもよいことが理解されよう。

ここで、図１を参照すると、点光源１の線形アレイは、フレネルレンズ（例えば、光源１に対して１つのレンズ）のような複数のレンズ２によって実質的にコリメートされる。各レンズ２は、各点光源１からの光３をコリメートするとともに、光３を部分的に反射するプリズムシート５に向かわせる。鏡面反射されない光は、プリズムシートを含む透明媒体（例えば、アクリル材料を含む媒体）を透過し、プリズムシート５の平面側６を出ると、拡散する。次に、プリズムシート５の平面側６を通過した光は、カラーフィルタ７を透過する。カラーフィルタ７は、プリズムシート５に隣接して配置され、光をスペクトルの青色端に偏光させる。反射パネル８は、カラーフィルタ７に隣接して配置されている。反射パネル８は、カラーフィルタ７から受け付けた光の向きを変え、カラーフィルタ７及びディフューザ（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）を通過するように戻し（したがって、このときの光は高度に拡散している）、最終的にプリズムシート５を通じて出射させる。このようにして、拡散した青空を提供する。

いくつかの実施形態では、カラーフィルタとディフューザを組み合わせたカラーディフューザをプリズムシートの後方に設置したり、フロストエフェクトコーティングを噴霧することによってプリズムシートの平面側に直接的に拡散カラーフィルムを塗布したりしてもよい。この他、ディフューザとフィルタを組み合わせるものとしては、光を拡散させるためにプリズムシートの平面側にテクスチャ付けや粗面化を施したものがある。プリズムシートを含む材料は、例えば、成形プロセスにおいて染料を導入したり、基材を着色するための既知の顔料着色技術を用いたりすることで、青色や望んだ空の色に着色される。図１では不図示だが、例えばガラス等の透過部材は、例えば、フレネルレンズ２の幅と同程度にプリズムシート５から離間して配置されてもよい。これにより、天窓は、反射面８とプリズムシート５との間で密閉される内部を含む。図６は、透明部材２０の一例を示す図である。

図２を参照し、人工天窓のもう一つの配置について説明する。点光源１は、ライトパイプ９−１の終端点として示されており、空の拡散光は、エッジ型ライトパネル１０によって増強される。いくつかの実施形態では、エッジ型ライトパネル１０は、ライトパイプ９−２によって照らされる。エッジ型ライトパネル１０は、プリズムシート５の後方に直接的に（あるいは、直接的に隣接して）配置される。エッジ型ライトパネル１０は、光の結合を解離させるとともに、光を全方向に拡散的に射出させることができる導波部材でもよい。いくつかの実施形態では、ライトパネル１０は、ＬＥＤ２２のアレイ（図７参照）によって生成される青色の光（あるいは他の色の光）を伝達する。これにより、カラーフィルタ７を省略することができるが、オプションとして残してもよい。プリズムシートを透過したレンズ２からの光は減衰せず、ライトパネルによって伝達される光のルクスレベルを高める役割があることに留意されたい。

プリズムシート５及びライトパネル１０の両方に光を伝達するために複数のライトパイプ９を用いることの別の利点は、ユニットを密閉することでメンテナンス費用を低減することができる点にある。図４Ａ及び図４Ｂは、点光源１からの光を伝達するためのライトパイプ９の使用方法の一例を示す図であり、これによってアセンブリのメンテナンスが低減される。遠隔において部分的にコリメートされた光源１は、例えば壁におけるライトのスイッチに隣接する位置のように、容易にアクセス可能な位置に配置される。部分的にコリメートされた光源１は、図４Ａに示すように、複数のライトパイプ９に光を伝達する。ライトパイプ９は、グループ１３とグループ１４とに分けることができる。図４Ｂに示すように、グループ１４のライトパイプ９は、ライトパネル１０に光を供給する。一方、グループ１３のライトパイプ９は、線状光支持パネル２１に導かれて、線状光支持パネル２１によって支持される。線状光支持パネル２１は、図４Ｂにも示されているフレネルレンズ２によってコリメートされる光を方向づける。なお、図４Ａに示す１つ以上の光源１及びコリメータ１５を目的に応じて用いることができる。

一度設置したライトパイプ９は、有利に取り外す必要がない。例えば、点光源１のような射出源が故障した場合、それだけを交換すればよい。したがって、光源１は、使い勝手の良い位置で壁に設置することができ、天窓のための光を提供する。これにより、天窓は、天井やアクセスすることが困難な他の場所にも設置することができる。

しかし、図１の配置で示したように局部光源による照明が好ましい場合、天窓アセンブリは、図６に示すように直接天井に取り付ける設計にしたり、簡易なクランプ固定具を用いて天井に吊るされるように設置したりしてもよい。直接的な電気照明が好ましい場合、光源に容易にアクセスできるロフトのドアのようにユニットをヒンジで固定してもよい。このとき、ユニットの重量は前述のヒンジで支えられる。

図１で上述したように、開示される天窓には、プリズムシート５及びその他の部品に傷がついたり、塵埃が侵入したりすることを防ぐためにガラスシートのような外部透明部材２０（図６参照）を取り付けることができる。さらに、隣接する光源と光源の間に閉塞パネル１９を配置してもよい。上述したように、閉塞パネル１９は、ベークライトなどの複合材料から製造することができるが、その他の材料を閉塞パネルに用いてもよい。

ここで、仮想太陽の像の説明に戻る。見かけの太陽の像の角度は、いくつかの方法で変更することができる。例えば、図５に示すように、線状光は左右にスライドさせてもよい。これにより、符号１８で表される太陽の横方向の移動は、ダイナミックになり、遠隔的に変更されたりしてもよい。このとき、光の方向性を制御することが特に望ましい。例えば、太陽光の軸のように非常に選択的かつ完全に領域を照らすことを選択してもよい。これには、コーナーを明るくすることによって全体的に照明を改善するという理由や、例えばその空間に相応しい環境や照明の雰囲気を驚くべき効果で作り出したいという建築家の美学に基づく理由がある。１日を通して光源１から出力される光の明るさや色を制御するマイクロプロセッサを有するコントローラを用いることにより、仮想太陽は、明るさや色を動的に変更することができ、雲の影や１日の現在時刻をシミュレーションすることができる。

例えば、図３Ａ及び図３Ｂに示される実施形態のようないくつかの実施形態では、１つ又は複数のプリズムシートを異なる角度の面を備える別のプリズムシートに交換してもよい。そのような実施形態では、太陽の長手方向の角度は、ユーザが、図３Ａ及び図３Ｂにおいてδとして示すプリズムの角度を選択することによって予め定められており、設置後のプリズムシート５を交換することによって調整することができる。図３Ａでは、反射の凹みによってプリズムシート５の単一のプリズム面に対して光が反射する状態を示しており、入射角（ＡＯＩ：ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）は、観察者に対して、以下によって好ましく変化する。

１８０−２δ−φ＝γ

プリズムシートがコーティングされていない場合において、例えば仮に光が混合した極性を持っていれば、通常、反射光３Ａは透過成分１１Ａよりもはるかに少なくなり、δの値は１０度よりも大きくなる。したがって、反射光で太陽をシミュレーションするためには、たとえその材料が実質的に透明であったとしても眩しいくらいに、特に明るい光源が必要とされる。したがって、図３Ｂに示す一実施形態において、ＴｉＯ_２のような誘電体コーティングを追加すると、反射光線３Ｂの強度が大幅に高められつつ、透過光線１１Ｂの強度が低減される。ほぼ無損失であるため、３Ｂと１１Ｂの合計の強度は統一値に近づく。

いくつかの場合では、コーティングされていないプリズムシート５、すなわち反射コーティングを有しないプリズムシートは、図１０Ａに示すように、ライトパネル１０に隣接するが、距離を空けた位置に配置されることで、コリメートされた光３のほとんどの向きを変えて観察者に向かわせる。いくつかの実施形態では、コーティングされていないプリズムシート５とライトパネル１０との間の距離は、平行光学系がプリズムシート５の最上面とライトパネル１０の最下面との間に光を入射させることができるような距離である。

図１０Ｂは、コーティングされていないプリズムシート５がライトパネル１０に隣接するが、距離を空けた位置に配置されるもう一つの例を示す図である。図１０Ｂに示すように、例えば、パネルのマトリクスの表面上又は表面内におけるレーザードット、溝、又は小さな分散粒子などの光非結合機能体６６は、ＴＩＲ光線の大部分をパネル１０の外部に放射（６５）させる。これらの同じ機能体は、仮想の太陽光線３の一部を散乱（６４）させる。これにより、仮想の太陽が柔らかな円盤状になる。図１０Ｂに示す実施形態では、例えばレンズ２のような平行光学系は、拡散パネルの最上面の上に配置されるとともに、プリズムシート５の最上面の少なくとも一部と反射面８の下面の下との間に配置される。

プリズムシート５の屈折特性に起因するスペクトル分散は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す補償光学系を導入することによって補償することができる。図１１Ａは、プリズムシート５に入射する前の光を拡散するプリズム４０を説明するための図であり、光線がプリズムシート５を通過すると、光線が屈折し、ＲＧＢ光線を所望の平行光に戻す。図１１Ｂは、実施形態のもう一つの非限定的な例を示している。図１１Ｂに示すように、プリズムシート５は、二つのプリズム面を備えており、第２プリズム面４２は、第１プリズム面４１によって生成されたスペクトル分散を補償する。

前述のように、空の色と太陽の色を制御することが望ましい。いくつかの実施形態では、別個の照明手段、すなわち、図７に示す光源２２や図９に示す光源２３，２４を設けることによって、空の色と太陽の色とを独立して動的に制御することができる。さらに、図８Ａ及び図８Ｂの両方には、主に赤色の波長を有する光（Ｒ）と、主に緑色の波長を有する光（Ｇ）と、主に青色の波長を有する光（Ｂ）といった、３色の偏光光源からの光を示しており、これらの光は、コリメートされている。３色偏光光源の全ての光源は、互いにわずかに分離しており、コリメートされたそれぞれの光は、ライトパイプに略同一の方向で入射する。プリズム２５は、前述の３色偏光光源からのそれぞれの光を屈折させて、実質的に共通の光路を採用したり、組み合わせたりするために用いられる。この理由から、青色偏光光源は、その光線の屈折が最大になるように配置され、一方で赤色偏光光源は、その光線の屈折が最小になるように配置される。仮想太陽に光を伝達する色偏光光源２３のそれぞれの輝度を変更することにより、前述の仮想太陽の色を変化させることができる。同様にして、別個の照明手段２４が変更されると、仮想の空の色を変化させることができる。しかしながら、仮想の太陽及び空を提供するために、ＬＥＤやそれ以外のものに基づいて、動的に光源からの光の色を変化させるその他の手段や機構が存在することは、当業者であれば理解できるであろう。

光源からの光路を折り畳むことにより、必要な焦点距離を保ちつつ、平行光学系を短くすることができる。いくつかの実施形態では、閉塞パネルの使用を省略することができる。例えば、図１２Ａは、それぞれの光源１から発される光を折り畳む中実プリズム５０の一例を示す図である。光源１は、例えばＬＥＤ光源である。複数の光源１を用いるいくつかの実施形態では、光源に対応する数のプリズム５０を用いてもよい。プリズム５０を用いることで、焦点（ＦＰ：ｆｏｃａｌ ｐｏｉｎｔ）を平行光学系２の近くに移動させ、コリメートシステムをよりコンパクトにすることができる。これにより、天窓全体のサイズを実質的に縮小することができる。光源からの光を平行光学系２に向かわせるプリズム５０の１つ又は複数の表面には、反射コーティング５６が施される。

光源１からの光線は、プリズム５０に入射する前に部分的にコリメートされる（すなわち、計算された拡散で狭い光線が作られる）。図１２Ｂは、図１２Ａにおけるプリズム５０（図１２Ｂにおいて、プリズム５０−１）を見下ろした状態を示す図である。プリズム５０（５０−１）の側壁５４で反射及び拡散する光線５２のためにコリメートされる光線のように、光線を超えて拡散する迷光５２が隣接するプリズム５０−２に侵入するのを防ぐ。反射は、漏れ全反射（ＦＴＩＲ：ｆｒｕｓｔｒａｔｅｄ ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって生じる。ＦＴＩＲは、ある程度光を透過させるため、透過される成分は、拡散層５３を透過するときに拡散する。

図１３は、コリメートシステムにおいて用いることができるプリズムのもう一つの例を示す図である。図１３に示すように、プリズム５１は、プリズム５０の屈折レンズとは対照的に、光をコリメートするための放物面表面５５を備える。図１３に示す放物面表面５５の少なくとも１つには、反射コーティング５６を施すことができる。図１４は、全反射光（ＴＩＲ）を採用して光路を折り畳むときに、どのように放物面コリメータに対して反射コーティング５６をとどめるかを示す図である。当業者であれば、この他にもプリズム折り畳みシステムを実施できることは理解できるであろう。

さらに、プリズム以外の構造を用いることで、コリメートシステムと光源との間の光路を減らすことができる。例えば、図１５は、平行光学系２に接続され、光源１に隣接して配置された反射筐体５７の一例を示す図である。いくつかの実施形態では、反射筐体５７は、鏡面反射器である。図１５Ａは、反射筐体５７の中の迷光５２が拡散される状態を示す図であり、光の一部が拡散反射し、残りの光が拡散透過するように、部分的に透過性の拡散パネル５３を配置している。これにより、複数の太陽の像が観察者に見えないようにしている。いくつかの実施形態では、拡散パネル５３は、一部の光とは対照的に、全ての迷光を拡散反射するように、不透明であってもよい。いずれの場合でも、このような拡散パネル５３は、張力をかけた薄い布から製造することができる。

図１６は、反射筐体５７の中の迷光５２が隣接する筐体に侵入するのを閉塞パネル５８を用いて防いだ状態を示す図である。この場合、迷光５２は消光するか、あるいは、光吸収マット面を用いることによって、拡散反射する迷光が減衰される。閉塞パネル５８は、張力をかけた薄い布や、当業者が理解しうるその他の材料から作られる。

図１７は、１つの光源１を有する天窓の実施形態の一例を示す図である。図１７に示すように、光源１は、コリメートレンズ６０の上方に位置し、コリメートレンズ６０に隣接してプリズムシート５が配置される。これにより、光３が拡散する。

図１８Ａ及び図１８Ｂは、プリズムシートを反射性の平坦な放物面に形成することによって、フレネルレンズ及びプリズムシートをコリメート装置６１に組み合わせる実施形態を示す図である。例えば、図１８Ａは、コリメート装置６１の前側平面図を示しており、放物面設計６２は、前面６３に含まれる。図１８Ｂは、略平面状に形成された前面６３を示している。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、反射面に部分的に入射するコリメート光と、反射面を部分的に透過する拡散光とを提供する。これにより、例えば太陽光のような遠方の光源による光を直接反射させつつ拡散させることで、空の光に近似させている。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、１つの光源からの光をそれぞれのコリメートレンズに向かわせる１組の閉塞パネルを備える。いくつかの実施形態では、部分的な反射面は、フレネルプリズムのようなプリズム構造を備える。いくつかの実施形態では、部分的な反射面は、実質的に鏡面反射を行う。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、反射面とそれに対向する拡散面との両方を有する単一のシートを備える。いくつかの実施形態では、拡散表面は平面である。いくつかの実施形態では、拡散光を射出する表面はプリズムシートから分離している。

いくつかの実施形態では、コリメート光は、例えばＬＥＤのような発光する線形アレイによって生成される。いくつかの実施形態では、光の線形アレイの光は、放射光の点光源に近似している。いくつかの実施形態では、光の線形アレイの光は、ライトパイプの終端部から出射する。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、ライトパイプから発される光が円錐状になるのを抑制するために、その終端部に取り付けられたレンズを備える。これにより、それぞれの円錐形状は、完全な開口部におけるコリメートレンズを包囲し、コリメート光の漏れ出しをなるべく少なくしている。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、プリズムシートを透過する追加の拡散光を伝達するためのライトパネルを備える。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、拡散表面と後方の反射体との間に位置し、人工の空を生成するためのカラーフィルタを備える。いくつかの実施形態では、拡散した空の色は、ライトパネルのみによって提供される。いくつかの実施形態では、ライトパイプは、前述のライトパネルの照明源を提供する。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、プリズムシートから分離された拡散面を備える。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、光を拡散することもできるカラーフィルタを備える。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、上述のプリズムシートの平面側に直接塗布される拡散性塗料を有するプリズムシートを備えることにより、別個のカラーフィルタを用いる必要がなくなる。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、空の色に着色された拡散平面を有するプリズムシートを備える。これにより、屈折プリズムと、カラーフィルタと、ディフューザとの機能を組み合わせている。

いくつかの実施形態では、仮想の太陽と仮想の空との色は、それぞれのＲＧＢ光源の輝度を変更することによって制御され、仮想の太陽の色は、仮想の空の色とは独立して変化させたり、そのまた逆の変化をさせたりすることができる。

いくつかの実施形態では、人工天窓は、天窓の上に配置され、塵埃から保護するためのガラスカバーを備える。

いくつかの実施形態では、プリズムシートはディフューザを備えていない。このとき、プリズムシートは、拡散ライトパネルに隣接するが、距離を開けた位置に配置されることで、仮想太陽を構成するコリメート光は、プリズムシートの面において向きを変えて観察者に向かう。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの光源と、
   前記少なくとも１つの光源からの光をコリメートしてコリメート光線を生成する少なくとも１つの第１コリメータと、
   前記少なくとも１つの第１コリメータに隣接して配置されるプリズムシートであって、前記少なくとも１つの第１コリメータから受ける前記コリメート光線を反射及び屈折させ、仮想の太陽を生成するために、前記少なくとも１つの第１コリメータから受ける前記コリメート光線を観察者に向けて反射するプリズムシートと、
   前記プリズムシートに隣り合って配置され、仮想の空を生成するために拡散光を観察者に向けて射出する少なくとも１つの透過性材料と、
   を備える人工天窓。
2. 前記プリズムシートは、前記少なくとも１つの透過性材料に直接的に接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の人工天窓。
3. 前記少なくとも１つの光源は、前記プリズムシートと前記少なくとも１つの透過性材料との間に光線を入射させることを特徴とする請求項１に記載の人工天窓。
4. 前記少なくとも１つの光源は、前記プリズムシートと反射パネルの少なくとも１つの反射面との間に光線を入射させることを特徴とする請求項１に記載の人工天窓。
5. 前記少なくとも１つの光源は、配列された複数の光源を含み、
   前記少なくとも１つの第１コリメータは、コリメータの直線配列で配置された複数の第１コリメータを含み、
   前記複数の第１コリメータのそれぞれは、前記複数の光源のそれぞれからの光をコリメートすることを特徴とする請求項１に記載の人工天窓。
6. 前記複数の光源のうちの隣り合う光源の間に配置される閉塞パネルを更に備えることを特徴とする請求項５に記載の人工天窓。
7. 前記光源の配列は、前記コリメータの配列に対して左右方向に移動することを特徴とする請求項５に記載の人工天窓。
8. 第１端部と第２端部とを備える少なくとも１つの第１ライトパイプと、
   前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの第１ライトパイプの前記第１端部に隣接して配置され、前記少なくとも１つの光源からの光を前記少なくとも１つの第１ライトパイプの前記第１端部に向かわせる少なくとも１つの第２コリメータと、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の人工天窓。
9. 前記少なくとも１つの第１コリメータは、前記少なくとも１つの第１ライトパイプの前記第２端部に隣接して配置されることを特徴とする請求項８に記載の人工天窓。
10. 前記人工天窓は、第１端部と第２端部とを備える少なくとも１つの第２ライトパイプを更に備え、
    前記少なくとも１つの第２ライトパイプの前記第１端部は、前記少なくとも１つの光源に隣接して配置され、前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの第２コリメータからの光を受け付け、
    前記少なくとも１つの第２ライトパイプの前記第２端部は、前記少なくとも１つの拡散面を備えるライトパネルに隣接して配置されることを特徴とする請求項９に記載の人工天窓。
11. 少なくとも１つの光源から発した光をコリメートして第１コリメート光線を生成し、
    仮想の太陽を生成するために、少なくとも１つのプリズムシートによって前記コリメート光線を観察者に向けて反射し、
    仮想の空を生成するために、少なくとも一つの透過性材料によって拡散光を観察者に向けて射出する方法。
12. 前記少なくとも１つの光源から発した光をコリメートして前記第１コリメート光線を生成する前に、更に、
    少なくとも１つの第１ライトパイプの第１端部において、前記少なくとも１つの光源から発した光を受け付け、
    前記少なくとも１つの光源から発した光を前記少なくとも１つの第１ライトパイプの第２端部から射出することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記方法は更に、
    第２ライトパイプの第１端部において、前記光源から発した光を受け付け、
    前記第２ライトパイプの第２端部から、前記光源からの光を射出し、
    前記第２ライトパイプの前記第２端部は、前記第２ライトパイプの前記第２端部から射出した光がライトガイドに受け入れられるように前記ライトガイドに隣接して配置されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記方法は更に、
    前記少なくとも１つの光源から発した光を前記少なくとも１つの第１ライトパイプの第２端部から射出する前に、
    前記少なくとも１つの光源から発した光をコリメートして第２コリメート光線を生成することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つの光源は、配列された複数の光源を含み、
    前記方法は、更に、前記光源の配列をコリメータ装置の配列に対して左右方向に移動させることを特徴とする請求項１１に記載の人工天窓。